汶川震后公路泥石流危害類型與活動特征分析

向靈芝，崔 鵬，陳洪凱，范瑋佳

(1. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2. 重慶交通大學 巖土工程研究所，重慶 400074；3. 中國科學院成都山地災害與環境研究所 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041)

汶川震后公路泥石流危害類型與活動特征分析

向靈芝1，2，崔 鵬3，陳洪凱2，范瑋佳1，2

(1. 重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；2. 重慶交通大學 巖土工程研究所，重慶 400074；3. 中國科學院成都山地災害與環境研究所 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041)

以汶川縣兩條主要交通干線(都汶公路和省道303)沿線60條泥石流溝為研究對象，通過多次實地調查和室內試驗分析，對汶川地震后泥石流的形成條件，危害類型及活動特征進行了分析。研究表明：震后地質地貌、巖土物質基礎的不穩定性，以及高強度降雨與泥石流物源區的相互作用是震后泥石流的主要控制條件；公路沿線的泥石流危害以沖毀或淤埋公路，或堵塞、擠壓河流，及形成災害鏈等3種類型為主；地震后，泥石流流體以黏性為主；臨界降雨量降低，發生于面積較小流域，并具有高頻性與群發性特點。

道路工程；汶川地震；泥石流；危害類型；活動特征

0 引 言

汶川地處四川盆地向青藏高原過渡的第二級階梯帶，主要山脈為東部的龍門山體系及西和西南部邛崍山體系。海拔變化區間為800～6 220 m；地貌自西向東大致分為3級階梯，從海拔3 500～5 000 m以上高山、極高山到海拔2 000～3 500 m高山、中山，再到海拔2 000 m以下中山、低山、河谷地區，最東邊又分布中山、高山區。巖性與地形從高到低相對應，從堅硬的花崗巖、閃長巖到大理巖、灰巖、千枚巖再到軟弱的片巖、砂巖、泥巖。區內主要河流為近南北走向的岷江及近東西走向的岷江支流漁子溪，與這兩條河道近平行的交通干線分別為都汶公路和省道303。

映秀-北川活動斷裂呈現北東-南西走向斜穿該區，自古以來地震頻發，巖土地質基礎不穩定，具備泥石流發育的地形地貌條件。2008年8.0級汶川地震震中位于汶川縣映秀鎮，該區地表受到強烈擾動，產生了大量的松散固體物質，為震后泥石流活動儲存了充裕的物源。從震后數年來暴發泥石流的情況來看，其活動特征較震前發生了明顯的變化，且呈大規模頻發狀態，造成了巨大危害。許多學者對汶川地震區的泥石流進行了集中研究[1-6]，包括形成機制、演化規律、泥石流危險性、風險評估等。

筆者以汶川縣主要兩條道路(都汶公路和省道303)沿線的泥石流溝為研究對象，通過對地震后公路沿線泥石流災害的多次調查，系統地總結了震后泥石流的發育情況、形成條件和活動特征，為地震泥石流的持續研究以及災后重建提供參考。

1 震后研究區泥石流發育概況

根據震后多次實地調查，汶川縣域內大規模群發性泥石流集中分布在依岷江而建的都汶公路與與漁子溪走向平行的省道303沿線兩側。幾乎每個雨季，這兩條主要交通干線多次因暴雨泥石流的破壞造成交通中斷。根據震后數次的調查結果，共確定道路沿線發育的60條泥石流溝，其基本地形地貌參數見表1。

表1 汶川主要道路沿線泥石流溝地貌基本特征

(續表1)

編號溝名面積/km2主溝長度/km比降/‰流域相對高差/m平均坡度/(°)溝谷密度/(km·km-2)43大陰溝23．518．05242．102840．00042．510．7444螃蟹溝0．691．42721．451407．62040．832．0745下鹽水溝1．390．96488．381520．00040．070．6646上鹽水溝2．401．95497．371826．84039．970．8047燒香溝7．434．51423．522580．00038．130．8848青崗溝3．222．73479．502235．81040．240．8449無名溝1．731．17537．521820．00043．390．6750上大水溝3．032．23443．841860．00035．380．7351油桌坪溝1．090．43505．651552．61044．570．3752七層樓溝21．136．83147．012380．00034．650．8253幸福溝32．859．51117．672620．00032．130．7654龍潭溝55．9512．23150．682940．00034．590．7155關門溝3．311．73403．931660．00042．560．7556周家溝8．984．48337．722376．91038．360．7357金豪溝3．753．35379．162100．49036．250．8958轉經樓溝28．015．58120．811351．08029．240．7459覺磨溝34．4010．89196．563220．00036．960．7260花紅樹溝8．615．66301．552469．93033．510．77

2 震后泥石流形成條件

汶川大地震發生后，由于地震波對研究區巖土體的強烈作用，地形地貌與震前形成強烈對比，震后泥石流形成的環境背景條件也因此產生了顯著的變化，主要體現于以下幾點。

2.1 地質地貌條件

岷江河谷兩岸地形陡峻，地面高差懸殊，致使兩岸支溝以較大的溝谷縱坡與岷江交匯，為泥石流的活動提供了有利的地形條件。相關機構對地震后震中區域監測數據顯示：此次地震引起震中區域監測點的水平位移量達238 cm，沉降量達到70 cm，隆起量達30 cm。震后流域微地貌變化明顯，崩塌、滑坡體廣泛分布于溝谷中，形成階梯型陡坎等微地貌形態。大量的松散固體物很容易進入并堵塞溝道。

2.2 巖土體強度條件

研究區巖層受構造運動的作用，特別是地震的影響，巖石破碎、變質加深、節理發育、風化強烈，為泥石流發生發展提供了儲量豐富的固體物質[7-9]。由于成巖時代的不同，巖石的物理力學性質也有較大差異。一般來說成巖時代較晚的，質地松散，抗剪強度低，易崩解，直接影響坡面穩定，易于產生崩塌、滑坡，并在暴雨洪水的掏蝕下轉化為泥石流。根據遙感解譯，研究區共誘發5 582處崩塌滑坡[10]，且主要沿著岷江兩岸分布，正是震前泥石流溝集中分布區域。

2.3 氣候條件

研究區地處青藏高原東面的橫斷山區，由于地形地勢差異懸殊，汶川縣可分為兩個明顯不同的自然氣候區，大致以銀杏鄉梭坡店為界，縣北的威州、綿虒一帶，屬岷江上游半干旱河谷地區，氣候干燥，降水量少而穩定。縣境南部漩口、映秀(含三江鄉)一帶，屬川西多雨中心區，是暴雨常出現的地區，而此多雨區與地形上泥石流形成區(2 500～3 000 m)吻合。因此在季風氣候影響下形成的一種短歷時，高強度的局地性暴雨，成為岷江兩岸泥石流頻頻暴發的最活躍的水動力激發因素。

3 震后泥石流危害類型

3.1 以沖毀和淤埋為主

據調查，震后泥石流活動的規模較震前明顯增大，表現出大沖大淤等特點。泥石流直接危害對象包括道路、橋梁、居民房、土地以及災害防治設施等，危害的方式主要以淤埋和沖毀為主(圖1)。

圖1 以沖毀和淤埋為主的類型Fig.1 Type of washing away and bury

3.2 嚴重堵塞或擠壓主河

震后，因泥石流規模的增大以及泥石流溝出口大多數位于河流兩側，汶川縣道路沿線的泥石流溝堵塞或擠壓主河已成常態。位于汶川縣銀杏鄉岷江右岸的磨子溝2和金竹林溝泥石流就曾多次擠壓岷江，淤積河道(圖2)。

圖2 泥石流擠壓岷江Fig.2 Extrusion of debris flow on Minjiang River

3.3 規模大鏈生災害效應明顯

由于松散物質快速增加，形成的泥石流規模也普遍較大。泥石流的規模增大，其危害就會增大，甚至形成災害鏈。因此，震后泥石流成災的方式除了沖毀和淤埋外，最大特點之一就是泥石流災害的鏈生效應。泥石流災害鏈的典型模式為：前期堆積在溝內的崩滑碎屑物質在降雨的激發下，匯流啟動形成泥石流，泥石流體沖出溝口至主河道，擠壓或堵塞河道，形成堰塞湖，在水流沖擊下，堰塞體開始解體至完全潰決，洪水漫過堵塞體沖擊河道下游。其典型案例如紅椿溝特大泥石流。

2010年8月14日映秀發生強降雨，2 h降雨量達163 mm，降雨在岷江左岸的紅椿溝內各支溝流域內迅速下滲、匯流，將堆積于溝內的大量松散碎屑體啟動，形成了特大泥石流。此次泥石流一次沖出量高達70萬m3，在溝口堆積30萬m3，其余近40萬m3沖入岷江河道內形成堆積體，順河總長約3.2 km。震后重建的都汶高速和岷江左河道被堆積體覆蓋阻斷，致使水流向右岸沖頂，并迅速翻過右岸岸頂，沖向當時正在重建中的映秀集鎮施工區，一樓全部被淹，平均水深約2～3 m。涌入映秀新鎮的江水沿著河堤奔流直下，在堤岸上形成了一面“瀑布墻”。持續的降雨使得停積于紅椿溝口的部分堆積物于8月18日再次啟動，造成這次災害鏈的二次洪澇災害。映秀原河堤在高水位的浸泡和持續的水流沖壓力下，在8月19日23:40，約60 m長的防洪堤垮塌，直接威脅截水大壩以及新鎮安全。

4 震后泥石流活動特征

4.1 流體性質以黏性為主

根據泥石流流體的性質，泥石流可分為黏性、過渡性和稀性泥石流3種[11-12]。根據實地考察，震后新暴發的泥石流的流體性質較單一，大多以黏性為主。為進一步了解震后新發泥石流的性質和堆積物顆粒組成，在研究區采集有代表性的12個泥石流堆積物樣品，并進行顆粒分析試驗，結果如表2。由表2可見，研究區泥石流粉粒含量變化較大，在0.45%～15.65%之間，平均含量8.10%；黏粒含量變化也較大，在0.13%～4.28%之間，平均含量2.33%。康志成等[13]對蔣家溝泥石流堆積物樣品和泥石流流體物質成分的對比研究發現，堆積物中細顆粒流失較大，尤其是粉粒和黏粒流失量最大，流失量近1/2。據此推算，研究區泥石流流體中黏粒平均含量可達5.0%左右，泥石流流體的性質主要以黏性為主，這與野外調查的結果一致。

表2 泥石流顆粒分析試驗成果

Table 2 Experiment results of grain size for the debris flow

泥石流流體的性質通常也可以用其容重來表示。黏性泥石流的容重在19.5～23.0 kN/m3；過渡性泥石流的容重在17.0～19.5 kN/m3；稀性泥石流的容重在14.0～17.0 kN/m3之間[12]。泥石流的容重可采用實測法和現場調查法來確定[13-15]。但是，災區泥石流暴發時，基本上沒有目擊者，無法通過目擊者現場配制泥石流樣來確定容重。

余斌[16]在杜榕桓等[17]和陳寧生等[18]的研究基礎上，分析了泥石流組成顆粒中分別代表粗顆粒。細顆粒和粘粒顆粒的顆粒粒徑，即2，0.05， 0.005 mm，以及它們的百分含量與泥石流容重的關系，提出了采用粗顆粒和細顆粒百分含量計算泥石流容重的方法:

(1)

式中：γD為計算的泥石流容重，kN/m3；P05為小于0.05 mm的細顆粒百分含量，此處用小數表示；P2為大于2 mm的粗顆粒百分含量，此處用小數表示；γV為黏性泥石流的最小容重，取20 kN/m3；γ0為泥石流的最小容重，取15 kN/m3。

根據式(1)利用采得的泥石流樣品，分別計算了相應的泥石流容重，計算結果如表2。由表2可知，83%的泥石流屬于黏性泥石流，其余兩個(油卓坪溝和磨子溝)屬過渡型泥石流。這充分說明研究區震后泥石流流體的性質較單一，主要以黏性泥石流為主，這與震后其他地區研究成果基本一致。

4.2 泥石流起動臨界雨量降低且逐年回歸

地震誘發的崩塌和滑坡在極重災區形成了大量的松散固體物質。這些松散物質由于形成速度快，不僅結構松散，孔隙率大，而且大都處于不穩定狀態。根據野外調查和分析發現，由地震形成的松散物質明顯不同于因風化作用形成的殘坡積松散物。殘坡積物形成速度慢，呈面狀分布，范圍廣，粒度較細孔隙度相對較小，需要足夠的能量才能起動形成泥石流，而且在較陡的坡地很容易被雨水帶走，難以聚集起來形成泥石流；而地震形成的松散堆積物，大都是快速堆積，呈點狀堆積，甚至連成片，而且在陡坡帶都有大量聚集，再加上部分松而未動或動而未滑的不穩定斜坡，在雨水作用下都很容易失穩、起動形成泥石流。

由于松散物質的增加，震后泥石流起動的臨界雨量明顯降低。唐川等[19]通過對地震前后泥石流發生臨界雨量和雨強的初步分析發現，汶川地震后，該區域泥石流起動的前期累積雨量降低了14.8%～22.1%，小時雨強降低25.4%～31.6%。針對都汶公路區域，郭曉軍等[20]的研究表明，震后泥石流的臨界雨量較震前大幅降低，但隨著松散碎屑物質逐漸固結，穩定性增大，泥石流的激發雨量在震后4 a內逐漸升高。

4.3 發生于面積較小流域

根據臺灣“9.21”集集地震后泥石流的研究發現，在地震前泥石流大都發生在流域面積>0.1 km2的流域內，而震后在<0.03 km2的流域內也能形成泥石流[21]。震后泥石流更易于發生在較小面積的流域內，且越是極震區這種趨勢越明顯[22]。

根據筆者對研究區內確定的60條泥石流溝獲取的基本參數(表1)，經過統計分析(圖3)，可以發現：震后研究區內新發泥石流主要集中在面積較小的流域，其中流域面積<5.0 km2的泥石流溝共27條，占45%；<10 km2的泥石流溝共計38條，占63.3%；>10 km2的泥石流溝共計22條，占36.7%。從統計結果來看，震后新暴發泥石流溝的流域面積63.3%都<10.0 km2。需要說明的是，22條面積>10 km2的泥石流，有相當部分在震后前3年是其支溝暴發泥石流，而并未全流域暴發，而隨著松散碎屑物逐漸向主溝匯集，在大暴雨的激發下，也發生了泥石流災害。包括七盤溝、桃關溝、福堂壩溝、七層樓溝、幸福溝、龍潭溝等。因此，震后泥石流的活動主要集中于流域面積較小的小流域。

圖3 不同流域面積泥石流溝數量統計Fig.3 Statistical map of the number of debris flow gullies in different river basins

從泥石流的發生條件來看，泥石流集中發生于面積較小流域，跟泥石流活動的物質供給和水動力條件密切相關。流域內松散固體物質越豐富，發生泥石流的可能性越大，而物質供給不僅與絕對數量有關，而且與物質的分布形式有關。若地震誘發的崩塌滑坡體成片狀分布，則更利于土體的匯集啟動。因此將60條泥石流溝流域內崩滑面積與流域面積的比例與流域面積進行曲線擬合(圖4)，發現它們之間呈負相關，這也證明了流域面積越小，松散物源越容易啟動的結果。

圖4 流域面積與崩滑比例相關性統計Fig.4 Statistical chart of the correlation between the area of the river basin and the landslide proportion

因研究區內泥石流形成的松散物質條件在震后是充足的。區內多次暴發群發性泥石流災害的事實也說明了這一點。另一方面，從泥石流形成的動力條件來分析，流域內縱坡降大意味著溝內松散物質具有更大的能量，加上溝內崩塌滑坡發育，所以更容易起動形成泥石流。將表1內60條溝的面積和縱坡比降進行擬合分析(圖5)，發現溝谷比降與流域面積大體上是負相關的。面積較大的流域，其平均縱坡比降則相對較小。平均縱坡比降小意味著上游松散物質具有的勢能梯度就小。此時如果要形成泥石流就需要更大的起動和輸移能量，即需要更大的水動力條件。流域面積大的流域需要有更大的水動力條件，即更大的降雨強度，來起動和維持泥石流流動。

圖5 流域面積與縱坡比降相關性統計Fig.5 Statistical chart of the correlation between the area of the river basin and the longitudinal gradient

4.4 高頻性與群發性特點顯著

研究區歷史上就屬于泥石流多發區，有泥石流活動記錄的主要泥石流溝多達98條[23]。震后松散物質的急劇增加，地震災區泥石流形成普遍轉化為降雨控制型，只要降雨量達到一定強度，溝道松散物質便會起動形成泥石流。震后災區頻頻暴發的泥石流溝，在震前大都是非泥石流溝或者是極低頻(百年不遇)的泥石流溝。如高家溝，位于岷江右岸，在震后暴發過3場大規模泥石流，其中于2009年8月一場泥石流短時堵斷岷江，迫使主河改道對岸，僅此一次洪水就瞬間沖毀了岷江左岸的幾十畝農田，昔日的良田變成了亂石灘，岸邊的河堤和民房也被沖毀〔圖6(a)〕。2011年7月3日因暴雨的激發而暴發的大規模泥石流迫使岷江改道，強烈沖刷左岸都汶公路路基，重建完工的民房再次被沖毀，導致交通中斷16 d〔圖6(b)〕。因研究區崩塌滑坡物質集中分布于岷江兩岸，因此，泥石流發生敏感區相對集中，在暴雨區與物源區相重疊，泥石流就沿著岷江及漁子溪沿岸成群暴發(圖7)，其發生的頻度與強降雨的頻度基本一致。

圖6 高家溝泥石流引發的災害Fig.6 Debris flow disaster of Gaojia gully

圖7 2010年8.13省道303群發性泥石流Fig.7 Debris flow disaster in group outbreak of provincial road 303 on August 13th, 2010

5 結 論

1)汶川地震釋放的巨大能量造成震區微地貌形態的改變，及大量松散堆積體堵塞在溝道中給泥石流提供充足的物源，結合高強度暴雨的激發，稱為泥石流形成的控制條件。

2)震后泥石流對公路的危害類型以沖毀或淤埋為主，或者沖入河道內擠壓或堵塞河流，及形成堰塞湖災害鏈。

3)震后泥石流多發生于面積較小的流域，新暴發泥石流溝的流域面積63.3%都小于10.0 km2；流體以黏性為主，啟動臨界雨量降低且逐年回歸，并具有高頻性與群發性。

地震泥石流的發展是一個長期過程，需要進一步對其控制因素和活動特征進行定量監測，建立其長期演化模式。

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Damage Types and Activity Characteristics of Debris Flow along Highway after Wenchuan Earthquake

XIANG Lingzhi1, 2, CUI Peng3, CHEN Hongkai2, FAN Weijia1, 2

(1. Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China; 3. CAS Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Processes, Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, Sichuan, P. R. China)

Sixty debris flow gullies along the main highway (Dujiangyan-Wenchuan highway and provincial highway 303) in Wenchuan County were chosen as the research objects. Through multiple field surveys and laboratory tests, the formation conditions, damage types and activity characteristics of debris flow after Wenchuan earthquake were analyzed. The analysis results show that, the instability of the geological landform and the material foundation of the rock and soil after earthquake, as well as the interaction between the high intensity rainfall and debris material source area is the main condition for the debris flow after earthquake. 3 main damage types of debris along highway include the damage or bury of highway, the plugging or squeezing of the river and the forming of disaster chain. After earthquake, the critical rainfall is reduced; debris flows occur in small watershed, most with viscous fluids and with the characteristics of high frequency and group outbreak.

highway engineering; Wenchuan earthquake; debris flow; damage types; activity characteristics

2015-10-20；

2016-01-17

重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心暨水利水運工程教育部重點實驗室開放基金項目(SLK2015B07)；2013年度重慶高校創新團隊建設計劃項目(KJTD201305)；中國地質調查局國土資源大調查基金項目 (12120114035601)

向靈芝(1980—)，女，重慶人，講師，博士，主要從事地質災害防治方面的研究。E-mail：xlz1223xlz@sina.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.13

U416.1+65;P642.1

A

1674-0696(2016)06-060-08